AlGaN/GaN超晶格p型掺杂及输运特性研究

摘要

作为第三代半导体材料的代表，GaN材料具有大禁带宽度(0.75～6.2eV)、强极化效应(GaAs的4～5倍)、高临界场强(2MV/cm)、高载流子饱和速率(2×107cm/s)和高热导率(1.3W/cmK)等优异的特点。GaN材料以及基于GaN材料的各种器件在近十年中得到了系统和深入的研究。目前GaN微波功率器件已经在军用雷达和航天领域得到了初步的应用；在民用领域中，各种GaN LED和LD器件已经广泛应用于汽车电子和高端照明设备。但是GaN基器件，尤其是AlGaN/GaN多层结构的应用与开发仍然存在着较多的问题值得深入的研究。特别是AlGaN/GaN超晶格由于能够通过调节Al组份和周期长度等结构参数来人为的控制器件的能带形状，因而在高频振荡器、发光器件和探测器等众多领域有着广泛的应用前景。此外GaN基材料现在仍然面临着许多的问题，特别是GaN材料的p型掺杂始终没有很好的解决，这一问题严重的制约着HBT和LED等需要高质量p型材料器件的发展。本文正是在这一背景下，针对超晶格结构的特点在超晶格p型掺杂以及外加太赫兹电场下的稳态非线性响应两个方面进行了研究。
　　 在超晶格p型掺杂方面，本文在分析了现有GaN p型掺杂技术所面临的困难与不足后，提出了利用超晶格结构提高GaN材料p型掺杂效果的方案。随后系统的研究了超晶格结构掺杂的机理，分析了超晶格周期长度和Al组份对掺杂效果的影响。优化了MOCVD技术生长掺Mg AlGaN/GaN超晶格的实验条件，通过Hall、PL谱、HRXRD和AFM测试验证了AlGaN/GaN超晶格掺Mg方案的有效性。取得了以下关于AlGaN/GaN超晶格掺Mg的成果和结论：
　　 1.超晶格的空穴微带效应和界面应力是超晶格结构增强p型掺杂效果的机理。超晶格形成的空穴微带能够降低AlGaN材料中受主元素的激活能，使得受主的离化率得到提高。同时界面张应力的存在使得受主Mg 更容易掺入势垒层中。
　　 2．极化效应和界面应力引起的高导带断续对AlGaN/GaN超晶格的空穴微带有较大的影响。考虑极化效应和界面应力时AlGaN/GaN超晶格的平均空穴浓度比不考虑这些效应时高约一个量级。
　　 3．通过实验验证了对于极化效应和界面应力作用的理论分析和计算，优化了超晶格周期长度、Al组份和反应室压力等参数。认为高的反应室压力、Al组份以及约十纳米的超晶格周期长度有利于掺杂效率的提高。
　　 4．获得了电阻率为0.31Ω·cm，空穴浓度为4.36x1018/cm3的AlGaN/GaN超晶格样品。这一结果优于目前GaN体材料p型掺杂的结果，证明了超晶格结构在p型掺杂中的作用，这一结果对于LED和HBT等器件具有一定的应用价值。
　　 在AlGaN/GaN超晶格在外加太赫兹电场下的稳态非线性响应方面，本文进行了以下的工作：
　　 首先，针对AlGaN/GaN异质结的特点，建立了包含界面应力和极化效应的导带断续模型。使用单个势阱中电子的基态波函数作为基，利用紧束缚模型构建了AlGaN/GaN超晶格的色散模型，并对各种条件下的色散关系进行了数值计算。
　　 第二，改进了传统的简单余弦色散模型，并在此基础上，基于半经典理论建立了AlGaN/GaN超晶格第一微带电子在外加激励下的输运模型。
　　 第三，采用傅立叶变换分析了在外加太赫兹激励电场下超晶格的稳态非线性响应。重点计算和分析了三次谐波稳态响应的动态电阻、相位差和相对效率与基频激励电场强度、三次谐波激励电场强度和基频频率之间的关系。